Способ распознавания помпажа турбокомпрессора и система для его реализации

Изобретение относится к области автоматизации компрессорных установок, в частности к системам защиты от помпажа турбокомпрессоров, и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Изобретение позволяет повысить качество распознавания помпажа за счет устранения ложной диагностики помпажа, увеличивая тем самым экономическую эффективность практического применения. Способ распознавания помпажа турбокомпрессора включает измерение параметра, отражающего динамику процесса компримирования, статистическую обработку, по результатам которой формируют сигнал наличия помпажа. Здесь в основе способа распознавания помпажа предлагается в качестве параметра помпажа использование отношения дисперсии сигнала перепада давления, измеряемого на расходомерном устройстве турбокомпрессора, к квадрату его среднего значения, а также введение дополнительного признака помпажа, заключающегося в определении параметра поведения перепада давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора, характеризующего тенденцию уменьшения этого перепада давления, кроме того, сигнал наличия помпажа формировать только тогда, когда параметр помпажа превысит свое пороговое значение и одновременно параметр поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующий тенденцию перепада давления к уменьшению, будет ниже своего порогового значения. Система распознавания помпажа содержит датчик перепада давления на расходомерном устройстве, установленном во всасывающей магистрали компрессора, фильтры нижних частот, квадраторы, сумматоры, элемент задержки, делитель, компараторы, логические элементы И, триггер, логический элемент задержки на выключение и инвертор. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области автоматизации компрессорных установок, в частности к системам защиты от помпажа турбокомпрессоров, и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известны способ диагностики помпажа турбокомпрессора и система, его реализующая (Р.А.Измайлов, Ю.Д.Якушкин, С.Б.Ефремов, С.А.Ширяев, Диагностика помпажа центробежного компрессора на основе анализа нестационарных процессов в проточной части, АО “НИИ турбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа”, Проектирование и исследование компрессорных машин, Сборник научных трудов под ред. И.Г.Хисамеева, Выпуск 4. Казань, 1999 г.), включающий измерение давления нагнетания, полосовую фильтрацию сигнала, вычисление автокорреляционной функции, сравнение ее максимума с пороговым значением, как условия обнаружения помпажа.

Недостатком данного способа является большое время, необходимое для опознавания помпажа, определяемое требуемой временной апертурой вычисления автокорреляционной функции. Также недостатком является сложность практической реализации, связанная с необходимостью проведения большого объема вычислений в реальном масштабе времени.

Ближайшими по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ диагностики помпажа турбокомпрессора и система для его реализации (патент РФ №2172433, МПК F 04 D 27/02, опубл. БИ №23, 20.08.2001 г.).

Способ, принятый за прототип, включает измерение параметра, отражающего динамику процесса компримирования, непрерывное вычисление отношения среднеквадратичного отклонения измеряемого параметра к его среднему значению и формирование сигнала помпажа при превышении указанным отношением порогового значения.

При этом параметр помпажа, равный отношению среднеквадратичного отклонения измеряемого значения параметра к его среднему значению, определяют согласно системе уравнений:

где R - отношение среднеквадратичного отклонения измеряемого значения параметра к его среднему значению (параметр помпажа);

σ - среднеквадратичное отклонение измеряемого параметра;

- среднее значение измеряемого параметра;

S_i - значение сигнала на i-м отсчете;

N - число отсчетов сигнала.

Система, реализующая этот способ диагностики помпажа турбокомпрессора, включает датчик измеряемого параметра, вычислитель для определения величины отношения среднеквадратичного отклонения сигнала датчика к его среднему значению в качестве параметра помпажа и пороговый элемент в качестве формирователя сигнала помпажа.

Вычислитель включает первые фильтр нижних частот и квадратор и вторые квадратор и фильтр нижних частот, соединенные последовательно соответственно, причем входы первого фильтра и второго квадратора являются входом вычислителя, а выходы первого квадратора и второго фильтра присоединены соответственно к инвертирующему и прямому входам сумматора, выход которого соединен через корнеизвлекающее устройство с первым входом делителя, второй вход которого присоединен к выходу первого фильтра.

Недостатком способа является возможность некорректного распознавания помпажа при флуктуациях сигнала измеряемого параметра, не связанных с помпажными явлениями, а вызванных, например, открытием сбросной или байпасной арматуры, а также режимами работы во время пуска или разгрузки турбокомпрессора. Некорректность распознавания может вызываться также недостаточным соотношением сигнал/шум вычисленного параметра помпажа при работе турбокомпрессора вблизи нижней границы допустимых значений давления нагнетания и скорости вращения ротора.

Изобретение решает задачу повышения качества распознавания помпажа за счет устранения ложной диагностики помпажа, увеличивая тем самым экономическую эффективность практического применения.

Поставленная задача достигается тем, что по способу распознавания помпажа турбокомпрессора, включающему измерение параметра, отражающего динамику процесса компримирования, статистическую обработку, по результатам которой формируют сигнал наличия помпажа, для чего в процессе работы турбокомпрессора непрерывно измеряют перепад давления на расходомерном устройстве, установленном на входе или выходе турбокомпрессора, получают сигнал перепада давления и сигнал его среднего значения, формируют параметр помпажа и ведут сравнение значения сигнала параметра помпажа с пороговым значением, непрерывно получают дисперсию сигнала перепада давления, а параметр помпажа формируют как отношение дисперсии сигнала перепада давления к квадрату его среднего значения, при этом дополнительно формируют параметр поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующий тенденцию перепада давления к уменьшению, а сигнал наличия помпажа получают при одновременном превышении значения параметра помпажа своего порогового значения и понижении ниже своего порогового значения величины параметра поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующего тенденцию перепада давления к уменьшению.

При этом среднее значение, дисперсию и параметр поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующий тенденцию перепада давления к уменьшению, а также условие наличия помпажа определяют согласно системе уравнений:

где S_i - текущее значение сигнала перепада давления;

S_i-1 - значение сигнала перепада давления на предыдущем отсчете;

- текущее среднее значение сигнала перепада давления;

- среднее значение сигнала перепада давления на предыдущем отсчете;

- текущая дисперсия сигнала перепада давления;

- дисперсия сигнала перепада давления на предыдущем отсчете;

R - параметр помпажа;

R_p - пороговое значение параметра помпажа;

d - параметр поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующий тенденцию перепада давления к уменьшению;

d_p - пороговое значение параметра поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующего тенденцию перепада давления к уменьшению (d_p&λτ;0);

m - индекс временного сдвига для вычисления параметра поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующего тенденцию перепада давления к уменьшению;

k₁, k₂ - постоянные коэффициенты (0&λτ; k₁&λτ;1, 0&λτ; k₂&λτ;1).

Коэффициент k₁ в рекурсивных формулах для вычисления среднего значения и дисперсии, а также коэффициент k₂ и параметр m в разностном выражении для определения параметра поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующего тенденцию перепада давления к уменьшению, выбирают в зависимости от периода дискретизации сигнала перепада давления на расходомерном устройстве и постоянной времени усреднения.

В системе распознавания помпажа турбокомпрессора, содержащей датчик перепада давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора, выход которого соединен через вычислитель с формирователем сигнала помпажа, вычислитель включает первые фильтр нижних частот и квадратор, соединенные последовательно, первый сумматор, причем вход первого фильтра и прямой вход первого сумматора являются входом вычислителя, а выход фильтра соединен с инвертирующим входом сумматора, делитель, последовательно соединенные вторые квадратор и фильтр нижних частот, выход которого соединен с первым входом делителя, второй вход которого соединен с выходом первого квадратора, второй сумматор, прямой вход которого напрямую, а инвертирующий через элемент задержки соединены с выходом первого сумматора, к которому также подключен вход второго квадратора, причем выходы делителя и второго сумматора являются выходами вычислителя и соединены со входами первого и второго компараторов формирователя сигнала помпажа, который также включает первый логический элемент И, входы которого соединены с выходами компараторов, триггер, последовательно соединенные логический элемент задержки на выключение, инвертор и второй логический элемент И, выход которого соединен со входом сброса триггера, вход установки которого подключен к выходу первого логического элемента И и ко входу логического элемента задержки на выключение, причем выход триггера является выходом формирователя сигнала помпажа и соединен со вторым входом второго логического элемента И.

Здесь в основе способа распознавания помпажа предлагается в качестве параметра помпажа использование отношения дисперсии сигнала перепада давления, измеряемого на расходомерном устройстве турбокомпрессора, к квадрату его среднего значения, а также введение дополнительного признака помпажа, заключающегося в определении параметра поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующего тенденцию уменьшения этого перепада давления, кроме того, сигнал наличия помпажа формировать только тогда, когда параметр помпажа превысит свое пороговое значение и одновременно параметр поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующий тенденцию перепада давления к уменьшению, будет ниже своего порогового значения.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в качестве критерия распознавания помпажа принимают результаты сравнения со своими пороговыми значениями параметра помпажа, равного отношению дисперсии перепада давления на расходомерном устройстве к квадрату его среднего значения, и параметра поведения указанного перепада давления, характеризующего тенденцию перепада давления к уменьшению, причем распознавание помпажа происходит только тогда, когда первый и второй параметры будут выше и ниже своих пороговых значений соответственно.

То есть, для практической реализации способа необходимо в реальном масштабе времени измерение на расходомерном устройстве турбокомпрессора перепада давления, определение его поведения и формирование сигналов среднего значения и дисперсии перепада давления, в основу расчета которых заложена вышеприведенная система уравнений.

На фиг.1 представлена блок-схема системы распознавания помпажа, реализующей заявляемый способ.

На фиг.2 изображен пример работы заявляемого способа по распознаванию помпажа на реальном сигнале перепада давления на конфузоре центробежного нагнетателя, полученном при помпажных испытаниях. Здесь представлены следующие графики: 1 - перепад давления на конфузоре; 2 - отношение дисперсии к квадрату среднего значения; 3 - импульсы помпажных хлопков; 4 - сигнал помпажа.

Система распознавания помпажа содержит датчик перепада давления 1 на расходомерном устройстве 2, установленном во всасывающей магистрали компрессора 3, фильтры нижних частот (ФНЧ) 4 и 9, квадраторы 5 и 7, сумматоры 6 и 11, элемент задержки 8, делитель 10, компараторы 12 и 13, логические элементы И 14 и 18, триггер 15, логический элемент задержки на выключение 16 и инвертор 17.

В системе выход датчика 1 соединен со входами ФНЧ 4 и прямым входом сумматора 6, выход ФНЧ 4 соединен с входом квадратора 5 и инвертирующим входом сумматора 6, выход которого соединен с входами квадратора 7, элемента задержки 8 и прямым входом сумматора 11, инвертирующий вход которого соединен с выходом элемента задержки 8, выход квадратора 7 соединен со входом ФНЧ 9, выход которого соединен с первым входом делителя 10, второй вход указанного делителя соединен со выходом квадратора 5, выходы делителя 10 и сумматора 11 соединены со входами компараторов 12 и 13 соответственно, выходы компараторов соединены с первым и вторым входами логического элемента И, выход которого, в свою очередь, поступает на вход установки триггера 15 и вход логического элемента задержки на выключение 16, выход триггера 15 соединен с первым входом логического элемента И 18, второй вход которого через инвертор 17 соединен с выходом логического элемента задержки на выключение 16, а выход соединен со входом сброса триггера 15.

Система работает следующим образом.

В процессе работы турбокомпрессора 3 датчик 1 непрерывно измеряет перепад давления на расходомерном устройстве 2. При этом сигнал датчика поступает на ФНЧ 4, на выходе которого формируется среднее значение сигнала. Сигнал поступает также на сумматор 6, на инвертирующий вход которого поступает среднее значение сигнала, при этом на выходе сумматора 6 формируется разность между актуальным (текущим) и средним значениями сигнала датчика. Среднее значение сигнала поступает также на вход квадратора 5, на выходе которого формируется квадрат среднего значения сигнала. Разность между актуальным и средним значениями сигнала поступает через квадратор 7 на вход ФНЧ 9, на выходе которого формируется дисперсия сигнала датчика, поступающая на вход делителя 10. На второй вход указанного делителя подается квадрат среднего значения сигнала, при этом на выходе делителя формируется параметр помпажа, равный отношению дисперсии сигнала датчика к квадрату его среднего значения. Разность между актуальным и средним значениями сигнала поступает также на прямой вход сумматора 11 и через элемент задержки 8 на инвертирующий вход указанного сумматора, на выходе которого формируется сигнал параметра поведения перепада давления. Превышение величины параметра помпажа установленного порогового значения и понижение величины параметра поведения перепада давления ниже своего установленного порогового значения, характеризующие первую полуволну помпажных колебаний, фиксируются компараторами 12 и 13 соответственно. При помпаже турбокомпрессора это приводит к появлению на выходе логического элемента И 14 импульсов, соответствующих каждому помпажному хлопку.

Первый же такой импульс взводит триггер 15, выход которого формирует сигнал помпажа. После вывода компрессора из помпажа при прекращении помпажнах импульсов, поступающих помимо входа установки триггера 15 на вход логического элемента задержки на выключение 16, через установленное время задержки после заднего фронта последнего помпажного импульса выход логического элемента задержки на выключение 16 перейдет в неактивное состояние, а выход инвертора 17 - в активное. В результате, так как сигнал помпажа на выходе триггера 15 еще активен, на выходе логического элемента И 18 сформируется импульс, приводящий к сбросу триггера 15 и, следовательно, переводу сигнала помпажа в неактивное состояние. При повышении величины параметра помпажа на выходе делителя 10, не связанном с помпажными явлениями, несмотря на наличие активного сигнала на выходе компаратора 12, выход компаратора 13 останется в неактивном состоянии, т.к. величина параметра поведения перепада давления на выходе сумматора 11 останется выше порогового значения и, в результате, помпажный импульс на выходе логического элемента И 14 сформирован не будет.

Эффективность данного способа распознавания иллюстрируется фиг.2, где изображены график перепада давления на конфузоре 1 и отношение дисперсии сигнала к квадрату его среднего значения 2 при помпаже центробежного нагнетателя, а также графики импульсов помпажных хлопков 3 и результирующего сигнала помпажа 4. Из графиков видно, что помпажные импульсы имеют место при превышении отношения дисперсии к квадрату среднего значения только при помпаже компрессора, но не возникают, когда указанное отношение (параметр помпажа) остается высоким во время открытия байпасного клапана, т.е. когда компрессор уже вышел из режима помпажа.

1. Способ распознавания помпажа турбокомпрессора, включающий измерение параметра, отражающего динамику процесса компримирования, статистическую обработку, по результатам которой формируют сигнал наличия помпажа, для чего в процессе работы турбокомпрессора непрерывно измеряют перепад давления на расходомерном устройстве, установленном на входе или выходе турбокомпрессора, получают сигнал перепада давления и сигнал его среднего значения, непрерывно получают дисперсию сигнала перепада давления, формируют параметр помпажа и ведут сравнение значения параметра помпажа с пороговым значением, отличающийся тем, что параметр помпажа формируют как отношение дисперсии сигнала перепада давления к квадрату его среднего значения, при этом дополнительно формируют параметр поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующий тенденцию перепада давления к уменьшению, а сигнал наличия помпажа получают при одновременном превышении значения параметра помпажа своего порогового значения и понижении ниже своего порогового значения величины параметра поведения перепада давления на расходомерном устройстве.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что среднее значение, дисперсию и параметр поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующий тенденцию перепада давления к уменьшению, а также условие наличия помпажа определяют согласно системе уравнений

где S_i - текущее значение сигнала перепада давления;

S_i-1 - значение сигнала перепада давления на предыдущем отсчете;

- текущее среднее значение сигнала перепада давления;

- среднее значение сигнала перепада давления на предыдущем отсчете;

- текущая дисперсия сигнала перепада давления;

- дисперсия сигнала перепада давления на предыдущем отсчете;

R - параметр помпажа;

R_p - пороговое значение параметра помпажа;

d - параметр поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующий тенденцию перепада давления к уменьшению;

d_p - пороговое значение параметра поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующего тенденцию перепада давления к уменьшению (d_p&λτ;0);

m - индекс временного сдвига для вычисления параметра поведения перепада давления на расходомерном устройстве, характеризующего тенденцию перепада давления к уменьшению;

k₁, k₂ - постоянные коэффициенты (0&λτ; k₁&λτ;1, 0&λτ; k₂&λτ;1).

3. Система распознавания помпажа турбокомпрессора, содержащая датчик перепада давления на расходомерном устройстве, выход которого соединен через вычислитель с формирователем сигнала помпажа, отличающаяся тем, что вычислитель включает первые фильтр нижних частот и квадратор, соединенные последовательно, первый сумматор, причем вход первого фильтра и прямой вход первого сумматора являются входом вычислителя, а выход фильтра соединен с инвертирующим входом сумматора, делитель, последовательно соединенные вторые квадратор и фильтр нижних частот, выход которого соединен с первым входом делителя, второй вход которого соединен с выходом первого квадратора, второй сумматор, прямой вход которого напрямую, а инвертирующий через элемент задержки соединены с выходом первого сумматора, к которому также подключен вход второго квадратора, причем выходы делителя и второго сумматора являются выходами вычислителя и соединены со входами первого и второго компараторов формирователя сигнала помпажа, который также включает первый логический элемент И, входы которого соединены с выходами компараторов, триггер, последовательно соединенные логический элемент задержки на выключение, инвертор и второй логический элемент И, выход которого соединен со входом сброса триггера, вход установки которого подключен к выходу первого логического элемента И и ко входу логического элемента задержки на выключение, причем выход триггера является выходом формирователя и соединен со вторым входом второго логического элемента И.